Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные скоростные суда, требования к безопасности скоростного флота . 20
1.1 Введение 20
1.2 Мировой скоростной флот 20
1.3 Однокорпусное скоростное судно (МН) как объект проектирования 24
1.4 Международные конвенции и Код Безопасности Скоростных Судов 31
1.5 Правила Классификационных Обществ (КО). 36
1.6 Нормативные и руководящие документы, применяемые в военном кораблестроении. 47
1.7 Перспективы развития скоростного флота с учетом совершенствования требований к безопасности. 47
1.8 Выводы 51
Глава 2. Эксплуатационные перегрузки однокорпусного скоростного судна. Расчеты вертикальных ускорений по правилам КО . 53
2.1 Введение к главе 2. 53
2.1.1 Эксплуатационные перегрузки судна 53
2.1.2 Вертикальные ускорения при ходе судна на волнении 54
2.1.3 Связь ускорений с проектными характеристиками судна и условиями эксплуатации 55
2.1.4 Учет величин действующих вертикальных ускорений при проектировании судна 56
2.1.5 Методы снижения возникающих вертикальных ускорений 58
2.2 Вертикальные ускорения судна согласно КО 60
2.2.1 Проектные вертикальные ускорения по правилам КО 60
2.2.2 Анализ взаимосвязи проектных характеристик скоростного судна и проектных ускорений 62
2.2.3 Вертикальные ускорения согласно правилам разных КО 70
2.2.4 Распределение вертикальных ускорений по длине судна 70
2.2.5 Ограничение максимально допустимой высоты преодолеваемой волны 73
2.2.6 Ограничение скорости хода на волнении 77
2.3 Заключение и выводы. 79
Глава 3. Минимизация массы корпуса скоростного судна . 82
3.1 Введение. 82
3.1.1 Введение. 82
3.1.2 Методика расчета прочности и массы корпуса судна 87
3.2 Взаимосвязь проектных параметров судна и массы корпуса.93
3.2.1 Исследуемые суда. 93
3.2.2 Зависимость массы корпуса от водоизмещения и главных размерений . 95
3.2.3 Выбор марки материала 98
3.2.4 Ограничения по минимальным толщинам. 105
3.2.5 Дискретизация выбора элементов по сортаменту 107
3.2.6 Рациональный выбор продольной и поперечной шпаций 112
3.2.7 Изменение значения поперечной пшации по длине 112
3.3 Выводы. Пути снижения массы корпуса судна. 118
Глава 4. Взаимосвязь нагрузки и общей прочности судна . 120
4.1 Распределение массы судна по длине и расчет перерезывающих сил и изгибающих моментов. 120
4.1.1. Введение 120
4.1.2 Метод постатейного анализа распределения масс по длине. 121
4.1.3 Оценка точности расчетной методики. 129
4.1.4 Расчет изгибающих моментов на начальных стадиях проектирования по традиционному методу. 130
4.1.5 Влияние точности построения распределения нагрузки по длине на результаты расчета изгибающих моментов. 137
4.2 Алгоритм расчета распределения масс по длине судна 141
4.3 Выводы. 148
5. Заключение.
6. Литература.
- Международные конвенции и Код Безопасности Скоростных Судов
- Анализ взаимосвязи проектных характеристик скоростного судна и проектных ускорений
- Зависимость массы корпуса от водоизмещения и главных размерений
- Расчет изгибающих моментов на начальных стадиях проектирования по традиционному методу.
Введение к работе
В мировом судостроении продолжается поиск путей повышения эффективности новых типов судов, увеличения скорости их хода, грузо- и пассажировместимости, мореходности, безопасности мореплавания.
В последние два десятилетия наблюдается бурный рост флота скоростных паромов, как катамаранов, так и однокорпусных. Последние привлекают своей относительной простотой конструкции, более низкой стоимостью постройки, но проигрывают катамаранам по ряду свойств, в основном - по мореходным качествам.
Использование скоростных судов распространено, прежде всего на коротких линиях, но наблюдается тенденция к увеличению дальности хода, что связано с изменением концепции перевозок пассажиров и автомобилей.
Интенсивное строительство судов новых типов вызвало необходимость освоения новых областей корабельной науки, поставило перед судостроителями ряд проблем и задач, которые потребовали оперативного решения. Если традиционное судостроение имеет наработанные методики, обширную статистику по построенным судам, то скоростной флот пока -относительно "молодая" отрасль морского транспорта, и многие задачи решаются методом "проб и ошибок", т.е. при проектировании последующих судов учитывают опыт эксплуатации построенных. И хотя многие скоростные суда строятся более крупными, чем традиционные суда, сериями, они отличаются значительным разнообразием типов и принципов движения, что снижает возможности накопления опыта, затрудняет использование методов аналогии и регрессионного анализа.
Обеспечению безопасности скоростного флота в мире начали уделять повышенное внимание только в конце 70-х годов XX века, что было вызвано резким повышением интереса к созданию скоростного флота в мире. До 70-х годов исследования в областях, касающихся скоростных судов, велись, в значительной мере, только для двух их типов: на подводных крыльях (СПК) и на воздушной подушке (СВП). Именно в это время Международной Морской Организацией (IMO) был разработан "Код Безопасности Судов с Динамическими Принципами Поддержания", содержавший общие требования к скоростным судам тех лет. Внедрение новых типов скоростных судов, увеличение их размеров, использование новых форм обводов и систем обеспечения мореходности, использование новых корпусных материалов, потребовали вскоре не только пересмотра многих положений этого документа, но и проведения обширных исследований в областях гидродинамики, мореходности и прочности скоростных судов.
Классификационными Обществами (Американским Бюро Судоходства, Регистр Ллойда, Российским Морским Регистром Судоходства, Бюро Веритас, Дет Норске Веритас и т.д.) в 80-х годах были проведены обширные исследования с целью разработки требований к безопасности в отношении конструктивной прочности, остойчивости, непотопляемости скоростного судна, а также формулирования требований к таким судам в отношении обеспечения пожаробезопасности, оборудования радиосвязью, навигационными приборами. В то же время одним из наименее изученных остается вопрос обеспечения прочности скоростного судна, ибо его исследования давали противоречивые результаты. Были выяснены многие теоретические аспекты (природа и характер нагрузок на корпус судна, влияние перегрузок на общую прочность и т. п.), но несмотря на это до сих пор не сформулированы не только методики, но даже общепризнанные критерии обеспечения прочности скоростного судна. Требования ведущих КО имеют заметные отличия в нормировании показателей прочности, что отражается, естественно, и на проектных характеристиках судна. Сравнительный анализ методик для расчетов прочности скоростного судна разных Классификационных Обществ был выполнен в работах M.Fan, M.Pinchin, C.Mazonakis, Y.F.Cheng, W.Turnbull.
Среди крупных скоростных судов наблюдается большое количество их разновидностей. Так, одинаково успешно применяются катамараны, однокорпусники, суда на подводных крыльях, суда на воздушной подушке, суда с малой площадью ватерлинии и т.п. В каждом из вышеперечисленных типов можно выделить значительное число "подвидов".
Однокорпусные суда, или, согласно зарубежной классификации, "monohulls" (МН), благодаря своей конструктивной простоте (по сравнению с другими типами скоростных судов) и простоте обслуживания в портах и на линиях, занимают значительную "нишу" в обеспечении мировых пассажирских и автомобильно-пассажирских перевозок. Все исследования в данной диссертационной работе касаются только этого типа судов.
Несмотря на принципиальное сходство скоростных МН и традиционных судов, при проектировании МН возникает ряд проблем, свойственных только скоростным судам. Отличия носят принципиальный характер: высокая скорость движения (30-50 узлов против 15-20), что при их относительно небольших размерах делает их соответствующими переходному и/или глиссирующему режимам движения, особые формы обводов (с развитыми плоскими или прямолинейными поверхностями для создания динамической подъемной силы, острыми скулами и транцевой кормой, чем обеспечивается снижение смоченной поверхности на эксплуатационном режиме), низкая мореходность в условиях спецификационного волнения; использование специальных типов энергетических установок (высокооборотные дизели и газовые турбины против мало- и среднеоборотных дизелей у традиционных судов). Для этих судов характерны также: высокая доля в их водоизмещении массы корпуса (30-50% против 15-20% у традиционных судов), даже несмотря на применение легких конструкционных материалов (алюминиевых сплавов, композитов и т.п.); высокий уровень ускорений, вызывающий значительные нагрузки на конструкции и снижение комфортабельности судна. Главная трудность в практике проектирования таких судов состоит в отсутствии наработанных универсальных методик и обширного статистического материала по построенным судам. Вышеперечисленные особенности однокорпусных скоростных судов, появление новых нормативных требований к их параметрам и характеристикам, требуют изучения и разработки новых методов проектирования судов.
До сих пор расчеты, касающиеся прочностной безопасности судна, носят приближенный характер, основываются на эмпирических данных, полученных по результатам эксплуатации относительно ограниченного количества скоростных судов.
С проектной точки зрения наибольший интерес проявляется к поиску расчетной модели судна, позволяющей, при выполнении требований к безопасности эксплуатации, получить наиболее эффективное с экономической точки зрения судно.
Современные достижения в области проектирования скоростных судов были бы невозможны без вклада в развитие теории проектирования и конструкции судов с динамическими принципами поддержания В.В. Ашика, А.В.Бронникова, В.М.Пашина, Д.Антонова, И.Я.Баскакова, Ю.Ю.Бенуа, М.М.Бунькова, Я.И.Войткунского, Э.Н.Гарина, Г.Ф.Демешко, И.Т.Егорова, Г.П.Злобина, Б.А.Колызаева, А.Н.Косорукова, Н.В.Корытова, Л.М.Кривоносова, М.Н.Масеева, М.А.Мавлюдова, Э.В.Милованова, Н.Б.Плисова, К.В.Рождественнского, С.Б.Соловья, В.К.Трешкова, Л.Л.Хейфеца, Л.А.Эпштейна. Развитию теории проектирования глиссирующих судов способствовали работы Н.И.Белавина, А.М.Ваганова, В.В.Вейнберга, А.И.Мартынова, Е.А.Морозова, Б.Е.Синилыцикова, Б.А.Царева. Необходимо выразить признательность специалистам в области проектирования и конструкции судов: Г.В.Бойцову, АИ.Гайковичу, Э.Н.Гарину, В.К.Горюнову, О.Г.Конашенковой, С.И.Логачеву, А.Г.Ляховицкому, Ю.Ф.Оглоблину, П.Пенчеву, Ю.А.Смирнову, В.Н.Тряскину, Б.А.Цареву, Д.Е.Цымлякову, А.В.Шляхтенко, чьи пожелания и советы были приняты во внимание при работе над диссертацией. Объектом исследования является процесс проектирования однокорпусного скоростного судна с учетом требований нормативных документов. Под «однокорпусным скоростным судном» здесь понимается судно (корабль), имеющее один корпус, водоизмещение в диапазоне 50...600 тонн, длину 25..80 метров, скорость - 35..55 узлов. Особенности проектирования судов с другими характеристиками не исследовались.
Предметом исследования является влияние требований обеспечения безопасности, формулируемых Классификационным Обществом и/или другим нормирующим органом, на выбор элементов и характеристик корпуса скоростного однокорпусного судна, его оборудование и компоновку в процессе проектирования судна. Из общепринятой номенклатуры таких требований особое внимание в работе уделено требованиям к прочности корпуса скоростного судна. Исследуется взаимосвязь критериев, заданных в нормативных документах, с проектными характеристиками судна. При этом обязательными исходными положениями считаются условия выполнения основных эксплуатационных требований к судну по вместимости, скорости и т.п., по обеспечению его рациональной компоновки. Исследовалась задача минимизации массы корпуса скоростного судна в процессе выбора проектных и конструктивных характеристик судна.
Цель и задачи исследования. Ставится цель формулирования рекомендаций по повышению эффективности скоростного судна при условии выполнения требований соответствующих международных и национальных нормирующих органов. Для достижения этой цели в работе были решены следующие задачи: - Исследовано влияние нормативных требований к прочности скоростного судна на массу его корпуса, что позволило сформулировать рекомендации к выбору "рациональных" проектных характеристик как судна в целом, так и его подсистемы "корпус" на ранних стадиях проектирования. - Применительно к скоростному судну рассмотрены современные методы расчета нагрузки, положения его центра тяжести, общей прочности.
- Исследованы формализованные различными Классификационными Обществами требования к перегрузкам скоростного судна, с целью получения рекомендаций по предпочтительным диапазонам выбираемых значений проектных характеристик.
Методологические основы и источники исследования. Основными методами при расчетах были метод вариаций и оптимизационные методы поиска минимума функции. Для реализации расчетов и визуализации их результатов было применено стандартное программное обеспечение - MathCad v8.0, для проведения регрессионного анализа - ESBStats™ Standard vl.l. Алгоритмы были реализованы в программной среде Delphi/SQL.
Для исследований рассматривалась гипотетическая серия судов с систематически изменяющимися элементами. Диапазоны их изменений соответствуют таковым у существующих в настоящее время судов рассматриваемого типа.
Главными источниками расчетных данных, алгоритмов, критериев для оценки проектных характеристик послужили Правила Ведущих Классификационных Обществ: Американского Бюро Судоходства (ABS, 1991), Бюро Веритас (BV, 2000), Дет Норске Веритас (DnV, 1993), Регистр Ллойда (LR, 1993), Российский Регистр Судоходства (PC РФ, 1998), а также Код Безопасности Скоростных Судов (ГМО, 1996).
Научная новизна исследования. Новизна обеспечивается формированием оригинальных расчетных алгоритмов, методик, использованием новых методов исследований в постановке, не имеющей аналогов, по крайней мере, для исследуемого типа судов. Результаты исследований представлены не только в виде аппроксимирующих математических зависимостей, данных в графической и табличной форме, но и дополнительно большим количеством разработанных прикладных программ, позволивших значительно расширить и углубить круг исследований.
Новые результаты, полуленные в диссертации, включают:
• описание основных аспектов нормативных требований, необходимых к учету при проектировании скоростного судна;
• анализ взаимосвязи проектных характеристик судна и перегрузок, возникающих при его движении;
• граничные условия для проведения процедур оптимизации судна с учетом нормативных требований;
• метод расчета массы корпуса судна на ранних стадиях проектирования;
• анализ влияния требований к прочности на взаимосвязь проектных характеристик судна и массы его корпуса;
• метод совместного расчета составляющих водоизмещения, центра тяжести и общих нагрузок корпуса скоростного судна.
Положения, выносимые на защиту. Основные результаты работы, являющиеся предметом защиты, изложены в выводах и заключениях к соответствующим главам. Это, в первую очередь, проектные рекомендации по снижению действующих на судно перегрузок, по снижению массы корпуса скоростного судна, по повышению эффективности судна в целом, по упорядочению и совершенствованию методологии проектирования судов рассматриваемого типа.
Теоретическое и практическое значение диссертации. Теоретическая часть работы включает в себя разработку и апробацию новых расчетных алгоритмов по исследованию заявленных проблем. Теоретические результаты включают также зависимости, связывающие проектные характеристики судна и целевые функции при оптимизационных расчетах.
Практическая часть содержит рекомендации по рациональному выбору проектных характеристик судна на ранних стадиях проектирования при условии выполнения требований к обеспечению безопасности эксплуатации; по снижению массы корпуса, по снижению действующих на судно перегрузок. Результаты работы позволяют сократить продолжительность процесса проектирования скоростного судна. Расчетные алгоритмы, разработанные в процессе исследований, реализованы в виде работающих прикладных программ для ЭВМ и могут применяться при проектировании скоростного судна как для самостоятельных расчетов, так и как модули в системах автоматизированного проектирования.
Содержание работы.
Глава 1 диссертации содержит обзор современного положения в мировом скоростном флоте, обеспечении безопасности мореплавания. Рассмотрен состав флота по типам судов, приведена классификация скоростных судов. Кратко описаны требования международных конвенций, Кода Безопасности Скоростных Судов, Классификационных Обществ. Выявлены основные проблемы обеспечения безопасности скоростных судов на стадии разработки проекта.
Глава 2 посвящена изучению проблемы снижения вертикальных перегрузок, при движении скоростного однокорпусного судна на волнении. Приводятся основные методы расчета вертикальных ускорений, предлагаемые разными Классификационными Обществами, производится сравнение значений ускорений, полученных по разным формулам. Результатом исследования являются рекомендации к снижению возможных перегрузок путем выбора оптимальных проектных характеристик судна.
В главе 3 рассмотрена проблема минимизации массы корпуса с учетом требований к безопасности эксплуатации скоростного судна. Проведен вариантный анализ серии проектов однокорпусных скоростных судов, целью которого было изучение возможности снижение массы корпуса. Расчет прочности и массы металлического корпуса производился по методике Германского Ллойда. Выводы по главе содержат рекомендации, выполнение которых на стадии разработки проекта позволяет снизить массу корпуса скоростного судна. В главе 4 приведены результаты исследования проблем, связанных с расчетом общей прочности скоростного судна на ранних стадиях проектирования. Рассмотрен метод построения эпюр распределения масс по длине судна с помощью анализа распределения масс по разделам нагрузки у построенных судов и дальнейшего совмещения эпюр нагрузки. Даны рекомендации к повышению точности расчетов общих нагрузок на корпус судна на тихой воде.
Апробация работы.
В рамках темы диссертации сделаны доклады на международных конференциях и опубликовано несколько научных статей, в которых отражены результаты работы:
1) Демешко Г.Ф., Рюмин С.Н., "Однокорпусные скоростные суда: проблемы и тенденции проектирования, постройки и эксплуатации". Вторая Международная Конференция по судостроению ISC98, 24-26 ноября 1998, СПб, Россия. Труды Секции «А» «Проектирование перспективных судов. Оптимизация проектируемых судов. Анализ и синтез морских транспортных систем», т.2, с. 143-149.
2) Демешко Г.Ф., Рюмин С.Н., "Требования безопасности для скоростных судов по Правилам ведущих Классификационных Обществ". Пятая Международная Выставка и конференция по судостроению, судоходству, деятельности портов и освоению океана и шельфа НЕВА 99, 22-25 сент. 1999. Сборник тезисов. Секция «А». СПб, 1999. с.43-46.
3) S.Rumin, "Analyse der rechnerischen vertikalen Beschleunigung schneller Monohull-schiffe entsprechend den Forderungen der Klassifikationsgesellschaften" Maritime Systeme und Prozesse. Beitraege aus dem Leonhard-Euler-Programm 1999/2000, p.p.5-11.
4) S.Rumin, G.Demeshko, A.Sliakhtenko. The analysis of a problem of weight minimization for a high-speed craft hull. Second International Conference NSN 2001. Труды. СПб. с. 124-130. Результаты исследований были доложены на конференциях:
1) Демешко Г.Ф., Рюмин С.Н., "Алгоритм проектирования скоростных судов". Материалы Юбилейной конференции СПбГМТУ, май 1997 г.
2) Демешко Г.Ф., Рюмин С.Н., "Некоторые аспекты влияния Международного Кода Безопасности и Правил Классификационных Обществ на процесс проектирования скоростных судов". Юбилейная Конференция СПбГМТУ, 18-21 мая 1999 г.
3) Рюмин С.Н. "Проблемы безопасности скоростных судов" Школа-Семинар "Гидроаэродинамика и проектирование скоростных судов", 3 марта 1999 г. (Доклад был удостоен диплома I степени Общества Морских Инженеров).
4) Демешко Г.Ф., Рюмин С.Н. "Учет требований безопасности эксплуатации
при проектировании быстроходных кораблей". ВМИИ, Научно Техническая Конференция 27-28 апреля 1999 г.
Международные конвенции и Код Безопасности Скоростных Судов
Основным документом, разграничиваюпрім области действия морских законов, правил, конвенций в пределах международных и территориальных вод является Конвенция ООН о Морских Законах (United Nation Convention on the LawoftheSea)[60].
Основы нормирования требований безопасности изложены в материалах международных конвенций (1966 года по грузовой марке, СОЛАС 1974, 1978 года по стандартам обучения, сертификации и несению вахты для моряков, МАРПОЛ 73/78 по предотвращению загрязнению от судов и др.) и Международном Кодексе Безопасности Скоростных Судов (ГМО 2001).
Международный Кодекс Безопасности скоростных судов (Code of Safety of High Speed Craft) [66] является основным нормирующим документом, обеспечивающим их безопасность в эксплуатации. Он отражает те аспекты скоростных перевозок на море, которые не являются актуальными для обычных морских линий, обслуживаемых традиционными водоизмещающими судами. Он является основой для разработки Правил национальных Классификационных Обществ, которые приводят его требования, имеющие зачастую общий, неконкретизированный вид, к критериальному способу нормирования безопасности.
Первая редакция оригинального "Кодекса Безопасности для судов с динамическими принципами поддержания" (КБ СДПП) была принята Международной Морской Организацией (IMO) впервые в 1977 году как альтернатива международной Конвенции по Безопасности Жизни на Море (Convention for the Safety of Life at Sea) SOLAS. Он был предназначен для "легких" судов, в основном для СПК и СВП, доминировавших тогда на многих пассажирских линиях мира.
КБ СДПП содержал новый подход в обеспечении безопасности на море, который заключался в том, что стало считаться необходимым совместно рассматривать соответствующие меры, принимаемые на судне и на берегу. Таким образом, традиционные требования к конструкции самого судна и средствам спасения на нем были дополнены требованиями к инфраструктуре, к береговым и портовым средствам обеспечения безопасности.
В 80-е годы 20-го века произошли заметные изменения в качественном и количественном составе скоростного флота. Как уже было отмечено в 1.2 данной главы, доминирующую долю в численности скоростного флота стали иметь однокорпусные суда и катамараны, а СПК и СВП отошли на второй план. Появились также и были внедрены в жизнь новые корпусные материалы, виды конструкций и технологий, значительно возросла степень автоматизации судовождения. В связи с вышеперечисленным, в 1990 в ИМО было принято решение провести ревизию КБ СДПП с целью внесения дополнений и изменений для учета изменившихся условий эксплуатации и состояния скоростного флота на тот момент. Вторая редакция Кодекса Безопасности, имеющая название Кодекс Безопасности Скоростных Судов (КБ СС) вступила в силу в январе 1994 года. В этом году вступила в силу последняя редакция КБСС.
Требования современного Кода можно разделить на две категории: эксплуатационную и конструктивную. Первая содержит требования к инфраструктуре, включая радиокоммуникационное и спасательное береговое оборудование. Конструктивная категория охватывает требования к корпусу, оборудованию, судовым системам и устройствам, а также к процедуре периодических проверок их соответствия Нормам. Код Безопасности СС содержит ряд общих требований [66]: а) судовладелец управляет компанией опираясь на точный контроль за ее деятельностью во время рейсов и обслуживания, с помощью качественной техники, удовлетворяющей требованиям администрации и портовых служб; б) судовладелец гарантирует, что экипаж судна состоит только из квалифицированного для данного типа судов и предполагаемого района плавания персонала; в) строго соблюдается заданная дальность плавания и ограничения по худшим предполагаемым погодным условиям в районе плавания; г) судно постоянно находится в разумной близости от порта-убежища; д) службы связи, прогноза погоды, технического обслуживания доступны во всем районе эксплуатации, который содержит соответствующие спасательные службы, находящиеся в постоянной готовности; е) помещения с высокой пожарной опасностью (машинные отделения, специальные отсеки) защищены негорючими материалами и системами пожаротушения для обеспечения объемного и быстрого тушения; ж) системы и службы для быстрой и безопасной эвакуации всех людей с терпящего бедствие корабля постоянно поддерживаются в рабочем состоянии; з) все пассажиры и экипаж снабжены средствами спасения; и) администрация регулярно проводит всеобъемлющий осмотр судов на предмет соответствия требованиям пожаробезопасности и эвакуации. Судно в соответствии с этим Кодексом Безопасности признается скоростным, если его скорость и водоизмещение связаны соотношением: VM/C 3.7V1/6 ИЛИ Vy3 7.193V1/6, где V = объемное водоизмещение, м3 . Таким образом, суда с числами FRD 1.18 признаются скоростными. Для более эффективного использования судна в целом, а также с точки зрения обеспечения его необходимыми спасательными устройствами проводится разделение судов по следующим принципам [66]: 1. пассажирские суда, продолжительность плавания которых от места укрытия на эксплуатационной скорости и с полной нагрузкой не превышает 4 часов; 2. грузовые суда валовой вместимостью 500 тонн и более, продолжительность плавания которых с теми же условиями не превышает 8 часов.
Анализ взаимосвязи проектных характеристик скоростного судна и проектных ускорений
Изменением основных проектных параметров и характеристик судна (главных размерений, скорости хода судна, коэффициента общей полноты, угла килеватости днища судна, угла ходового дифферента) можно добиться значительного снижения величины возникающих вертикальных ускорений скоростного судна. Например, по зависимостям, предлагаемым ABS, увеличение длины судна с 25 до 50 метров (при прочих неизменных характеристиках судна и параметрах волнения) приводит к уменьшению вертикальных ускорений в 4 раза, увеличение водоизмещения с 400 до 800 тонн, или повышение угла килеватости с 10 до 30 снижает ускорения в 2 раза. Влияние скорости хода более сложное (см. рис. 2.2.8), так как значительную роль играют размеры судна. Так, для судна длиной 25 метров и водоизмещением 70 тонн уменьшение скорости с 50 до 30 узлов вызовет 3-кратное снижение вертикальных ускорений, тогда как для судна длиной 100 метров такое изменение скорости вызовет уменьшение ускорений лишь на 2-3 процента.
При выборе главных размерений судна на начальных стадиях проектирования, вводя ограничения на возникающие вертикальные ускорения в ЦТ, следует руководствоваться графиками на рис. 2.2.12, 2.2.13 и 2.2.14, в которых исходными данными принимаются максимальная скорость хода судна (из задания на проектирование) и высота преодолеваемой волны в заданном районе эксплуатации судна. Одновременно следует учитывать влияние принимаемых значений угла килеватости и коэффициента общей полноты.
Для повышения уровня комфорта пассажиров, салоны следует располагать по возможности ближе к кормовой оконечности судна (при кормовом расположении МО - к носовой переборке МО), так как значение вертикальных ускорений, измеренное по длине судна в районе носовой оконечности, почти в 2 раза превышает значение в районе положения ЦТ (см. рис.2.2.9). Необходимо отметить, что для оценки комфортабельности судна некорректно пользоваться значениями вертикальных ускорений, полученными по формулам из Правил Классификационных Обществ (ф. 2.2.1, 2.2.2, 2.2.4, 2.2.5), т.к. их обеспеченность соотвествует 1%, а требования ISO к допускам по вибрациям для человеческого организма касаются регулярных воздействий.
Для ограничения уровня максимальных вертикальных ускорений во время рейса, Правила ABS и GL вводят дополнительные ограничения по величине максимальной высоты преодолеваемой судном волны на протяжении всего рейса. В этом случае её значение в несколько раз ниже, чем заданное, исходя из уровня максимальных проектных ускорений (см. рис 2.2.10), величина которых используется при расчетах прочности корпуса скоростного судна.
При разработке компоновки и при выборе главных размерений, угла ходового дифферента и геометрических характеристик корпуса (угол килеватости в районе ЦТ, угол ходового дифферента, коэффициент общей полноты) проектные решения увязываются с ограничением вертикальных ускорений, исходя как из условий обеспечения прочности корпуса судна, так и из обеспечения приемлемого уровня комфорта пассажиров, т.е., исходя из значения вертикальных ускорений, лимитируемых согласно физиологическим порогам ощущений вертикальных перегрузок.
Перспективным направлением в области борьбы с перегрузками на скоростных судах является применение дополнительных устройств и систем стабилизации. Так, по данным [84], действующие системы стабилизации, состоящие из подводных крыльев, закрылков и транцевых плит позволяют снизить ускорения в ЦТ судна на 40% по сравнению с ускорениями, возникающими на судне с неработающими устройствами. Значительные успехи были достигнуты и при применении интерцепторов. С их помощью снижаются не только вертикальные, но и поперечные ускорения [85].
На ранних стадиях проектирования, при выборе главных размерений, формы корпуса, разработке компоновки, необходимо контролировать уровень предполагаемых вертикальных ускорений. Оценку значения вертикальных ускорений следует проводить по формулам вида (ф. 2.2.1-2.2.5). В задачах оптимизации судна эти зависимости, также как и ограничения вертикальных ускорений (согласно табл.2.1) должны быть включены в базу проектных граничных условий, принимаемых во внимание при проектировании судна. В общем случае можно руководствоваться совместными ограничениями нескольких Классификационных Обществ для конкретной величины высоты преодолеваемой волны (содержащейся в техническом задании), пример таких ограничений приведен на рис.2.2.14.
На основе анализа требований рассматриваемых Классификационных Обществ к судам с одинаковыми проектными характеристиками и параметрами, можно сделать вывод, что наибольшую свободу проектанту при разработке судна предоставляют правила DnV, согласно которым значения проектных характеристик, не приводящие к завышению уровня проектных ускорений, лежат в широком диапазоне. Самыми строгими с этой точки зрения являются требования ABS.
Таким образом, при рациональном проектировании судна (с точки зрения снижения перегрузок), при контроле возможного уровня ускорений уже на стадии разработки проекта задача снижения перегрузок до приемлемого уровня может быть решена успешно.
Зависимость массы корпуса от водоизмещения и главных размерений
Доминирующими разделами в массе металлического корпуса являются массы: обшивки, набора (основного и холостого), переборок, настилов и набора палуб, ребер жесткости и т.п., т.е. тех элементов, которые непосредственно участвуют в прочности судна. Расчеты проводились по методике, описанной в параграфе 3.1.2 и основанной на Правилах Германского Ллойда [63], Бюро Веритас [51] и Российского Регистра Судоходства [38].
Оценка влияния основных проектных характеристик на массу корпуса скоростных судов производилась для ряда судов с систематически изменяющимися проектными характеристиками.
Базовыми судами стали 10 основных «проектов» с разной длиной, изменяющейся с шагом 5 м, для которых был произведен расчет массы корпуса (см. табл. 3.2.1). Для базовых проектов был сделан расчет массы при последующем варьировании главных размерении, механических характеристик конструкционного материала, условий плавания, геометрических характеристик обводов, скорости движения.
Ширина, при заранее выбранной длине, получена согласно значению L/B, которое принято по результатам статистической обработки данных по судам, подобным исследуемым, построенным и эксплуатирующимся [39]. Осадка рассчитана, исходя из соотношения В/Т=3.5 (принято также по данным статистики). Коэффициент общей полноты СЬ взят равным 0.5 для всех судов, т.к. форма корпуса принята идентичной у всех исследуемых судов, а изменение СЬ при перестроении чертежа, в виду сложного характера зависимости, не учитывалось. Отношение Н/Т=2.2 тоже принято после анализа статистических данных по построенным судам. За расчетную высоту волны принято ее ожидаемое значение, в первом приближении, так как только при проведении расчетов по принятой методике становится известной величина максимально допустимой высоты волны.
Форма корпуса исследуемых проектов - плоскокилеватая, с постоянным углом килеватости от мидель-шпангоута до транца и одной острой скулой (в месте соединения поверхности днища и поверхности борта).
Следует отметить, что исходные данные, приведенные в табл.3.2.1 носят "базовый" характер., так как для каждого из исследуемых проектов в дальнейшем проведено варьирование основных проектных данных с целью поиска оптимальной их совокупности с точки зрения минимизации массы корпуса для каждого конкретного проекта.
Для этих судов был произведен как прямой расчет массы корпуса, так и поиск оптимальных значений следующих характеристик: продольной и поперечной шпации, соотношений главных размерений, механических характеристик конструкционного материала.
При обработке статистических данных часто приводят зависимость между кубическим модулем LBH и массой корпуса судна. Такая зависимость для 10 исследуемых судов, полученная расчетным методом, показана на рис. 3.2.1. Показано также влияние на массу корпуса предела текучести принятого конструкционного материала.
Для расчетов водоизмещения и составляющих масс судна на ранних стадиях проектирования необходимо с достаточной точностью определить массу металлического корпуса. Как видно из рис.3.2.2, зависимость массы корпуса от водоизмещения 10 рассматриваемых судов достаточно устойчивая и нелинейная. Нелинейный характер объясняется увеличением значения общих нагрузок с ростом длины судна, что требует принятия дополнительных конструктивных мер (установка дополнительных продольных балок, увеличение толщины обшивки и т.п.). Для крупных судов становится недостаточно мер к снижению массы корпуса, связанных только с поиском оптимальных соотношений размеров элементов. Здесь требуется многовариантный анализ разных конструкционных схем (продольного и поперечного набора, наличие двойного дна, количества дополнительных подкрепляющих связей и т.п.).
Расчет изгибающих моментов на начальных стадиях проектирования по традиционному методу.
Влияние ограничений по минимальным толщинам элементов конструкций (согласно [63]) носит неоднозначный характер для всего исследуемого диапазона судов. Ограничения обычно оказывают влияние на выбор не всех, а только некоторых малонагруженных элементов конструкции судна. Это объясняется тем, что эксплуатационная нагрузка на ряд элементов не высока (по сравнению с нагрузкой на элементы, участвующие, к примеру, в общей прочности корпуса судна). Если для таких элементов сравнивать необходимую толщину пластины, рассчитанную из условия прочности, и толщину, полученную из ограничения по минимальным толщинам, то последняя оказывается больше.
Степень влияния ограничений по минимальным толщинам зависит от размерений судна, условий его эксплуатации (высоты преодолеваемой волны). Для крупных судов определяющими оказываются требования общей прочности.
В Правилах Классификационных Обществ, требования к минимальным толщинам имеют обычно вид таблиц или расчетных зависимостей, причем главным определяющим фактором для назначения минимальных толщин являются размерения судна.
Рассмотрим рис. 3.2.7, где показан сравнительный анализ толщины листовых элементов "без применения" и "с применением" требований к минимальным толщинам на примере трех судов из ряда рассматриваемых в табл.3.2.1.. Расчеты были выполнены для днищевой, бортовой и палубной обшивки. Если конструктивным материалом является сталь с а=390МПа, завышение толщины при применении требований к минимальным толщинам оказывает примерно одинаковым и находится в пределах 20..30%. При использовании стали с а=235Мпа это завышение гораздо меньше, и лежит в границах 5-10%, кроме условного "судна 8" (относительно крупного судна, имеющего D=548 тонн), для которого существует достаточно сложная взаимосвязь требований к минимальным толщинам и характеристик сечений элементов. При выполнении требований к минимальным толщинам настила палубы и обшивки бортов момент сопротивления эквивалентного бруса повышается, и требуемые по общей прочности характеристики днищевых связей снижаются. Для "судна 3" и "судна 5" такое влияние не имело места, потому что для них определяющими были местные нагрузки на конструкции, а необходимый момент сопротивления эквивалентный брус имел уже после расчетов местной прочности, когда каждый элемент (днищевой, бортовой, палубный) нагружается обособленно. Для 10 судов, приведенных в табл. 3.2.1, были проведены расчеты прочности и массы корпуса для двух случаев: 1) С учетом требований к минимальным толщинам (ТМТ); 2) Без учета ТМТ. Результаты были приведены к единой форме и на рис. 3.2.8 показан график зависимости прибавки массы (в %) от водоизмещения судна после применения ТМТ. Согласно рис. 3.2.8, наибольший прирост в массе наблюдается для небольших судов, материалом корпуса которых принята сталь повышенной прочности (ср=390 МПа). Для крупных судов прибавка становится практически независимой от размеров судна и связана с завышением толщин малонагруженных связей, не участвующих в общем изгибе.
Сортамент листовых элементов ограничивает возможности проектанта при выборе геометрических характеристик их сечений некоторым рядом дискретных значений, и поэтому приходится устанавливать на судне элемент, имеющий завышенные характеристики, по сравнению с требуемыми. Имеются, вместе с тем, некоторые минимальные значения характеристик элементов. Так, толщины обшивок и настилов из судостроительных сталей приходится выбирать из ряда 0.8;1.0;1.2;1.6;2.0;3.0;4.5;6;8;10 и т.д. миллиметров. Подобная дискретизация наблюдается и при выборе профильных элементов. Это приводит к завышению массы конструкции.
Влияние выбора элементов согласно сортаменту показано на рис.3.2.9. Как видно, значительное влияние на прирост массы оказывает совместное действие необходимости выбора листов и профилей из сортамента и учет требований к минимальным толщинам. Так, если без учета этих требований прирост массы корпуса с ростом водоизмещения прогнозируемо уменьшается, то при их учете имеется некоторый "максимум" прироста массы. Для небольших судов малый прирост массы корпуса, вызванный необходимостью следовать возможностям сортамента объясняется значительным завышением массы из-за уже учтенного применения требований по минимальным толщинам. Так, если согласно расчетам необходимая толщина обшивки должна быть 3 мм, то при учете требований по минимальным толщинам - 4 мм, то согласно сортаменту следует принимать листы толщиной 4.5 мм, что дает прирост меньший, чем прирост от требований к минимальным толщинам.
На рис.3.2.10 показан прирост массы корпуса судна при завышении толщины обшивки относительно требуемой на 1 мм или на 10% от начальной толщины. Обычно сортамент листовых материалов имеет шаг по толщине ок. 1...2 мм, поэтому вполне реально завышение толщины обшивки на 1 и более миллиметров. Как видно из рис. 3.2.10, для небольших судов вынужденный выбор толщин листов приводит к завышению массы корпуса до 7%. С ростом водоизмещения судов величина прироста постепенно падает в связи с обусловленным действующими нагрузками ростом толщины обшивки, поэтому увеличение толщины на 1мм листа необходимой толщиной 10 мм будет слабее влиять на массу корпуса, чем при увеличении на 1 мм обшивки исходной толщиной 3 мм у небольшого судна. Здесь же на рис. 3.2.10 дополнительно приведена зависимость прироста массы корпуса при завышении необходимой толщины обшивки на 10%, что носит безразмерный характер и позволяет оценить степень влияния, например, ошибок в расчетах по проектированию конструкций на массу корпуса. Обычно возможные погрешности в расчетах, вызванные использованием статистических данных и принятием завышенных запасов прочности, приводят в таких случаях не к ошибке (к примеру, 1мм), а к относительным погрешностям в долях от толщин, требуемых исходя из точных расчетов.
